面试题：Python中threading模块线程同步机制

Question

在Python的threading模块中，常用的线程同步机制有哪些？请举例说明如何使用`Lock`、`Semaphore`来实现线程同步，并阐述它们之间的区别。

Answer 1

常用线程同步机制

1. Lock（锁）：用于防止多个线程同时访问共享资源，同一时间只有一个线程可以获得锁并执行相关代码，其他线程需等待锁的释放。
2. Semaphore（信号量）：可以控制同时访问共享资源的线程数量，允许多个线程同时访问，但数量受信号量初始值限制。
3. Condition（条件变量）：允许线程在满足特定条件时才执行，线程可以等待某个条件满足并在条件满足时被唤醒。
4. Event（事件）：用于线程间通信，一个线程可以通过设置事件来通知其他线程执行某些操作，其他线程可以等待事件被设置。

使用Lock实现线程同步

import threading

# 共享资源
count = 0
lock = threading.Lock()


def increment():
    global count
    for _ in range(1000000):
        lock.acquire()
        try:
            count += 1
        finally:
            lock.release()


threads = []
for _ in range(2):
    t = threading.Thread(target=increment)
    threads.append(t)
    t.start()

for t in threads:
    t.join()

print(f"Final count: {count}")

在上述代码中，Lock对象lock用于确保在对count进行增加操作时，同一时间只有一个线程可以执行，避免了竞态条件。

使用Semaphore实现线程同步

import threading

# 创建一个信号量，允许最多3个线程同时访问
semaphore = threading.Semaphore(3)


def task():
    semaphore.acquire()
    try:
        print(f"{threading.current_thread().name} has entered the critical section.")
        # 模拟一些工作
        import time
        time.sleep(2)
        print(f"{threading.current_thread().name} is leaving the critical section.")
    finally:
        semaphore.release()


threads = []
for i in range(5):
    t = threading.Thread(target=task)
    threads.append(t)
    t.start()

for t in threads:
    t.join()

在这段代码中，Semaphore对象semaphore初始化为3，意味着最多可以有3个线程同时进入临界区执行任务，其他线程需要等待信号量的释放。

Lock和Semaphore的区别

1. 可同时访问线程数量：
   • Lock：同一时间只允许一个线程获得锁并进入临界区，是二元信号量（信号量值为0或1）的一种特殊情况。
   • Semaphore：可以设置允许同时进入临界区的线程数量，初始值大于1时允许多个线程同时访问共享资源。
2. 应用场景：
   • Lock：适用于对共享资源的独占访问，例如对全局变量的修改，以防止数据竞争。
   • Semaphore：适用于需要限制同时访问共享资源的线程数量的场景，比如限制数据库连接池的并发使用数量等。